Física

La física (del latín physica, y este del griego antiguo φυσικός physikós «natural, relativo a la naturaleza») es la ciencia natural que estudia la naturaleza de los componentes y fenómenos más fundamentales del Universo como lo son la energía, la materia, la fuerza, el movimiento, el espacio-tiempo, las magnitudes físicas, las propiedades físicas y las interacciones fundamentales.

El alcance de la física es extraordinariamente amplio y puede incluir estudios tan diversos como la mecánica cuántica, la física teórica o la óptica. La física moderna se orienta a una especialización creciente, donde los investigadores tienden a enfocar áreas particulares más que a ser universalistas, como lo fueron Albert Einstein o Lev Landau, que trabajaron en una multiplicidad de áreas.

La física es tal vez la más antigua de todas las disciplinas académicas, ya que la astronomía es una de sus subdisciplinas. También comenzó hace más de dos mil años con los primeros trabajos de filósofos griegos. En los últimos dos milenios, la física fue considerada parte de lo que ahora llamamos filosofía, química y ciertas ramas de las matemáticas y la biología, pero durante la revolución científica en el  se convirtió en una ciencia moderna, única por derecho propio. Sin embargo, en algunas esferas como la física matemática y la química cuántica, los límites de la física con otras ramas de la ciencia siguen siendo difíciles de distinguir. La formulación de las teorías sobre las leyes que gobiernan el Universo ha sido un objetivo central de la física desde tiempos remotos, con la filosofía del empleo sistemático de experimentos cuantitativos de observación y prueba como fuente de verificación. La clave del desarrollo histórico de la física incluye hitos como la ley de la gravitación universal y la mecánica clásica de Newton, la comprensión de la naturaleza de la electricidad y su relación con el magnetismo de Faraday , la teoría de la relatividad especial y teoría de la relatividad general de Einstein, el desarrollo de la termodinámica con James Prescott Joule y Sadi Carnot y el modelo de la mecánica cuántica a los niveles de la física atómica y subatómica con Louis-Victor de Broglie, Heisenberg y Erwin Schrödinger.

Esta disciplina incentiva competencias, métodos y una cultura científica que permiten comprender nuestro mundo físico y viviente, para luego actuar sobre él. Sus procesos cognitivos se han convertido en protagonistas del saber y hacer científico y tecnológico general, ayudando a conocer, teorizar, experimentar y evaluar actos dentro de diversos sistemas, clarificando causa y efecto en numerosos fenómenos. De esta manera, la física contribuye a la conservación y preservación de recursos, facilitando la toma de conciencia y la participación efectiva y sostenida de la sociedad en la resolución de sus propios problemas.

La física es significativa e influyente, no solo debido a que los avances en la comprensión a menudo se han traducido en nuevas tecnologías, sino también a que las nuevas ideas en la física resuenan con las demás ciencias, las matemáticas y la filosofía.

La física no es solo una ciencia teórica; es también una ciencia experimental. Como toda ciencia, busca que sus conclusiones puedan ser verificables mediante experimentos y que la teoría pueda realizar predicciones de experimentos futuros basados en observaciones previas. Dada la amplitud del campo de estudio de la física, así como su desarrollo histórico con relación a otras ciencias, se la puede considerar la ciencia fundamental o central, ya que incluye dentro de su campo de estudio a la química, la biología y la electrónica, además de explicar sus fenómenos.

La física, en su intento de describir los fenómenos naturales con exactitud y veracidad, ha llegado a límites impensables: el conocimiento actual abarca desde la descripción de partículas fundamentales microscópicas hasta el nacimiento de las estrellas en el universo e incluso el poder conocer con una gran probabilidad lo que aconteció en los primeros instantes del nacimiento de nuestro universo, por citar unos pocos campos.

Los avances en física a menudo permiten avances en nuevas tecnologías. Por ejemplo, los avances en la comprensión del electromagnetismo, la física del estado sólido y la física nuclear llevaron directamente al desarrollo de nuevos productos que han transformado drásticamente la sociedad actual, como la televisión, las computadoras, los electrodomésticos y las armas nucleares; los avances en termodinámica llevaron al desarrollo de la industrialización; y los avances en mecánica inspiraron el desarrollo del cálculo.

Teorías básicas 

Aunque la física se ocupa de una gran variedad de temas, muchos físicos utilizan ciertas teorías. Cada una de estas teorías ha sido probada experimentalmente en numerosas ocasiones y ha resultado ser una aproximación adecuada a la naturaleza. Por ejemplo, la teoría de la mecánica clásica describe con precisión el movimiento de los objetos, siempre que sean mucho más grandes que los átomos y se muevan a una velocidad mucho menor que la de la luz. Estas teorías siguen siendo áreas de investigación activa en la actualidad. La teoría del caos, un aspecto notable de la mecánica clásica, se descubrió en el , tres siglos después de la formulación original de la mecánica clásica por Newton (1642-1727).

Estas teorías centrales son herramientas importantes para la investigación de temas más especializados, y se espera que cualquier físico, independientemente de su especialización, las conozca. Entre ellas se encuentran la mecánica clásica, la mecánica cuántica, la termodinámica y la física estadística, el electromagnetismo y la relatividad especial.

En la física clásica 

La física clásica incluye las ramas y los temas tradicionales reconocidos y bien desarrollados antes de principios del : mecánica clásica, acústica, óptica, termodinámica y electromagnetismo. La mecánica clásica se ocupa de los cuerpos sobre los que actúan fuerzas y de los cuerpos en movimiento y puede dividirse en estática (estudio de las fuerzas sobre un cuerpo o cuerpos no sometidos a una aceleración), cinemática (estudio del movimiento sin tener en cuenta sus causas), y dinámica (estudio del movimiento y las fuerzas que lo afectan); la mecánica también puede dividirse en mecánica de sólidos y mecánica de fluidos (conocida conjuntamente como mecánica del continuo), esta última incluye ramas como la hidrostática, la hidrodinámica, la aerodinámica y la neumática. La acústica es el estudio de cómo se produce, controla, transmite y recibe el sonido. Entre las ramas modernas importantes de la acústica se encuentran la ultrasónica, el estudio de las ondas sonoras de muy alta frecuencia más allá del alcance del oído humano; la bioacústica, la física de las llamadas y el oído de los animales, y electroacústica, la manipulación de las ondas sonoras audibles mediante la electrónica.

La óptica, el estudio de la luz, se ocupa no solo de la luz visible sino también de la radiación infrarroja y la radiación ultravioleta, que presentan todos los fenómenos de la luz visible excepto la visibilidad, por ejemplo, la reflexión, la refracción, la interferencia, la difracción, la dispersión y la polarización de la luz. El calor es una forma de energía, la energía interna que poseen las partículas que componen una sustancia; la termodinámica se ocupa de las relaciones entre el calor y otras formas de energía. La Electricidad y el Magnetismo se han estudiado como una sola rama de la física desde que se descubrió la íntima conexión entre ellos a principios del ; una corriente eléctrica da lugar a un campo magnético, y un campo magnético cambiante induce una corriente eléctrica. La electrostática se ocupa de las cargas eléctricas en reposo, la electrodinámica de las cargas en movimiento y la magnetostática de los polos magnéticos en reposo.

En la física moderna 

La física clásica se ocupa generalmente de la materia y la energía en la escala normal de observación, mientras que gran parte de la física moderna se ocupa del comportamiento de la materia y la energía en condiciones extremas o a una escala muy grande o muy pequeña. Por ejemplo, la atómica y la Física nuclear estudian la materia a la escala más pequeña en la que se pueden identificar los elementos químicos. La física de las partículas elementales se encuentra en una escala aún más pequeña, ya que se ocupa de las unidades más básicas de la materia; esta rama de la física también se conoce como física de alta energía debido a las energías extremadamente altas necesarias para producir muchos tipos de partículas en los aceleradores de partículas. A esta escala, las nociones ordinarias y comunes de espacio, tiempo, materia y energía ya no son válidas.

Las dos principales teorías de la física moderna presentan una imagen diferente de los conceptos de espacio, tiempo y materia de la presentada por la física clásica. La mecánica clásica aproxima la naturaleza como continua, mientras que la teoría cuántica se ocupa de la naturaleza discreta de muchos fenómenos a nivel atómico y subatómico y de los aspectos complementarios de las partículas y las ondas en la descripción de dichos fenómenos. La teoría de la relatividad se ocupa de la descripción de los fenómenos que tienen lugar en un marco de referencia que está en movimiento con respecto a un observador; la teoría especial de la relatividad se ocupa del movimiento en ausencia de campos gravitatorios y la teoría general de la relatividad del movimiento y su conexión con la gravitación. Tanto la teoría cuántica como la teoría de la relatividad encuentran aplicaciones en todas las áreas de la física moderna.

Diferencia entre la física clásica y la moderna 

Aunque la física pretende descubrir leyes universales, sus teorías se sitúan en dominios explícitos de aplicabilidad.

En términos generales, las leyes de la física clásica describen con precisión sistemas cuyas escalas de longitud importantes son mayores que la escala atómica y cuyos movimientos son mucho más lentos que la velocidad de la luz. Fuera de este ámbito, las observaciones no coinciden con las predicciones de la mecánica clásica. Einstein aportó el marco de la relatividad especial, que sustituyó las nociones de tiempo y espacio absolutos por las de espaciotiempo y permitió una descripción precisa de los sistemas cuyos componentes tienen velocidades cercanas a la de la luz. Planck, Schrödinger y otros introdujeron la mecánica cuántica, una noción probabilística de las partículas y las interacciones que permitió una descripción precisa de las escalas atómica y subatómica. Posteriormente, la teoría cuántica de campos unificó la mecánica cuántica y la relatividad especial. La relatividad general permitió un espaciotiempo dinámico y curvo, con el que se pueden describir bien los sistemas altamente masivos y la estructura a gran escala del universo. La relatividad general aun no se ha unificado con las otras descripciones fundamentales; se están desarrollando varias teorías candidatas de gravedad cuántica.

Ramas

Mecánica clásica

Electromagnetismo

Relatividad

Termodinámica

Mecánica cuántica

Conceptos físicos fundamentales

Áreas de investigación

Física teórica

Física de la materia condensada

Física molecular

Física atómica

Física nuclear

Física de partículas o de altas energías

Astrofísica

Biofísica

Resumen de las disciplinas físicas 

Clasificación de la física con respecto a teorías:

 Mecánica clásica
 Mecánica cuántica
 Teoría cuántica de campos
 Teoría de la relatividad
 Relatividad especial
 Relatividad general
 Física estadística
 Termodinámica
 Mecánica de medios continuos
 Mecánica del sólido rígido, Mecánica de sólidos deformables, Elasticidad, Plasticidad
 Mecánica de fluidos.
 Electromagnetismo
 Electricidad
 Magnetismo
 Electrónica
 Astrofísica (rama de la astronomía)
 Geofísica (rama de la geología)
 Biofísica (rama de la biología)
 Óptica

Historia

Astronomía antigua 

La Astronomía es una de las más antiguas ciencias naturales. Las primeras civilizaciones que se remontan a antes del año 3000 a.C., como la de Sumeria, la del antiguo Egipto y la de la Civilización del Valle del Indo, tenían un conocimiento predictivo y una comprensión básica de los movimientos del Sol, la Luna y las estrellas. Las estrellas y los planetas, que se creía que representaban a los dioses, eran a menudo adorados. Aunque las explicaciones de las posiciones observadas de las estrellas eran a menudo poco científicas y carentes de pruebas, estas primeras observaciones sentaron las bases de la astronomía posterior, ya que se descubrió que las estrellas atravesaban grandes círculos en el cielo, lo que, sin embargo, no explicaba las posiciones de los planetas.

Según Asger Aaboe, los orígenes de la astronomía del occidental se encuentran en Mesopotamia, y todos los esfuerzos occidentales en las ciencias exactas descienden de la tardía astronomía babilónica. Los astrónomos egipcios dejaron monumentos que muestran el conocimiento de las constelaciones y los movimientos de los cuerpos celestes, mientras que el poeta griego Homero escribió sobre varios objetos celestes en su Ilíada y Odisea; más tarde, la astrónomos griegos proporcionó nombres, que todavía se utilizan hoy en día, para la mayoría de las constelaciones visibles desde el hemisferio norte.

Filosofía natural 

La Filosofía natural tiene sus orígenes en Grecia durante el período arcaico (650 a.C. - 480 a.C.), cuando los filósofos presocráticos como Tales rechazaron las explicaciones del no naturalista para los fenómenos naturales y proclamaron que todo acontecimiento tenía una causa natural. Propusieron ideas verificadas por la razón y la observación, y muchas de sus hipótesis tuvieron éxito en la experimentación; por ejemplo, el atomismo se encontró correcto aproximadamente 2000 años después de ser propuesto por Leucipo y su alumno Demócrito.

Física medieval e islámica 

El Imperio romano de Occidente cayó en el , lo que provocó un declive de las actividades intelectuales en la parte occidental de Europa. En cambio, el Imperio romano de Oriente (también conocido como Imperio bizantino) resistió los ataques de los bárbaros, y continuó avanzando en diversos campos del saber, entre ellos la física.

En el , Isidoro de Mileto realizó una importante recopilación de las obras de Arquímedes que están copiadas en el Palimpsesto de Arquímedes.

En la Europa del , Juan Filopón, un erudito bizantino, cuestionó la enseñanza de la física de Aristóteles y señaló sus defectos. Introdujo la teoría del ímpetu. La física de Aristóteles no fue examinada hasta que apareció Filopón; a diferencia de Aristóteles, que basaba su física en la argumentación verbal, Filopón se basó en la observación. Sobre la física de Aristóteles, Filopón escribió:Pero esto es completamente erróneo, y nuestro punto de vista puede ser corroborado por la observación real más eficazmente que por cualquier tipo de argumento verbal. Pues si dejas caer desde la misma altura dos pesos de los cuales uno es muchas veces más pesado que el otro, verás que la relación de los tiempos requeridos para el movimiento no depende de la relación de los pesos, sino que la diferencia de tiempo es muy pequeña. Y así, si la diferencia de pesos no es considerable, es decir, si uno es, digamos, el doble que el otro, no habrá diferencia, o bien una diferencia imperceptible, en el tiempo, aunque la diferencia de peso no es en absoluto despreciable, con un cuerpo que pesa el doble que el otroLa crítica de Philoponus a los principios aristotélicos de la física sirvió de inspiración a Galileo Galilei diez siglos después, durante la Revolución Científica. Galileo citó sustancialmente a Filopón en sus obras al argumentar que la física aristotélica era defectuosa. En el año 1300 Jean Buridan, profesor de la facultad de artes de la Universidad de París, desarrolló el concepto de ímpetu. Fue un paso hacia las ideas modernas de inercia e impulso.

La erudición islámica heredó la física aristotélica de los griegos y durante la Edad de Oro islámica la desarrolló aún más, poniendo especialmente énfasis en la observación y el razonamiento a priori, desarrollando las primeras formas del método científico.

Las innovaciones más notables se produjeron en el campo de la óptica y la visión, que procedieron de los trabajos de muchos científicos como Ibn Sahl, Al-Kindi, Ibn al-Haytham, Al-Farisi y Avicena. La obra más notable fue El Libro de la Óptica (también conocido como Kitāb al-Manāẓir), escrito por Ibn al-Haytham, en el que refutaba de forma concluyente la antigua idea griega sobre la visión, pero también aportaba una nueva teoría. En el libro, presentó un estudio del fenómeno de la cámara oscura (su versión milenaria de la cámara estenopeica) y profundizó en el funcionamiento del propio ojo. Utilizando disecciones y los conocimientos de estudiosos anteriores, pudo empezar a explicar cómo entra la luz en el ojo. Afirmó que el rayo de luz se enfoca, pero la explicación real de cómo la luz se proyecta a la parte posterior del ojo tuvo que esperar hasta 1604. Su Tratado sobre la luz explicó la cámara oscura, cientos de años antes del desarrollo moderno de la fotografía.

El Libro de la Óptica (Kitab al-Manathir), de siete volúmenes, influyó enormemente en el pensamiento de distintas disciplinas, desde la teoría de la percepción visual hasta la naturaleza de la perspectiva en el arte medieval, tanto en Oriente como en Occidente, durante más de 600 años. Muchos estudiosos europeos posteriores y compañeros polímatas, desde Robert Grosseteste y Leonardo da Vinci hasta René Descartes, Johannes Kepler e Isaac Newton, estaban en deuda con él. De hecho, la influencia de la Óptica de Ibn al-Haytham se equipara a la de la obra de Newton del mismo título, publicada 700 años después.

La traducción de El libro de la óptica tuvo un gran impacto en Europa. A partir de ella, los eruditos europeos posteriores pudieron construir dispositivos que replicaban los que Ibn al-Haytham había construido, y comprender el funcionamiento de la luz. A partir de ello, se desarrollaron cosas tan importantes como gafas, lupas, telescopios y cámaras.

Física clásica 

La física se convirtió en una ciencia independiente cuando la Europa moderna temprana utilizó métodos experimentales y cuantitativos para descubrir lo que ahora se consideran las leyes de la física.

Entre los principales avances de este periodo se encuentran la sustitución del modelo geocéntrico del Sistema Solar por el modelo copernicano heliocéntrico, las leyes que rigen el movimiento de los cuerpos planetarios determinadas por Kepler entre 1609 y 1619, los trabajos pioneros sobre telescopios y astronomía observacional de Galileo en los siglos XVI y XVII, y el descubrimiento y la unificación por parte de Newton de las leyes del movimiento y de la ley de la gravitación universal de Newton, que llegarían a llevar su nombre. Newton también desarrolló el cálculo, el estudio matemático del cambio, que proporcionó nuevos métodos matemáticos para resolver problemas físicos.

El descubrimiento de nuevas leyes en termodinámica, química y electromagnética fue el resultado de un mayor esfuerzo de investigación durante la Revolución Industrial al aumentar las necesidades energéticas. Las leyes que componen la física clásica siguen siendo muy utilizadas para objetos a escalas cotidianas que se desplazan a velocidades no relativistas, ya que proporcionan una aproximación muy cercana en tales situaciones, y teorías como la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad se simplifican a sus equivalentes clásicos a tales escalas. Sin embargo, las imprecisiones de la mecánica clásica para objetos muy pequeños y velocidades muy altas condujeron al desarrollo de la física moderna en el .

Física moderna 

La física clásica se ocupa generalmente de la materia y la energía en la escala normal de observación, mientras que gran parte de la física moderna se ocupa del comportamiento de la materia y la energía en condiciones extremas o a una escala muy grande o muy pequeña. Por ejemplo, la atómica y la Física nuclear estudian la materia a la escala más pequeña en la que se pueden identificar los elementos químicos. La física de las partículas elementales se encuentra en una escala aún más pequeña, ya que se ocupa de las unidades más básicas de la materia; esta rama de la física también se conoce como física de alta energía debido a las energías extremadamente altas necesarias para producir muchos tipos de partículas en los aceleradores de partículas. A esta escala, las nociones ordinarias y comunes de espacio, tiempo, materia y energía ya no son válidas.

Las dos principales teorías de la física moderna presentan una imagen diferente de los conceptos de espacio, tiempo y materia de la presentada por la física clásica. La mecánica clásica aproxima la naturaleza como continua, mientras que la teoría cuántica se ocupa de la naturaleza discreta de muchos fenómenos a nivel atómico y subatómico y de los aspectos complementarios de las partículas y las ondas en la descripción de dichos fenómenos. La teoría de la relatividad se ocupa de la descripción de los fenómenos que tienen lugar en un marco de referencia que está en movimiento con respecto a un observador; la teoría especial de la relatividad se ocupa del movimiento en ausencia de campos gravitatorios y la teoría general de la relatividad del movimiento y su conexión con la gravitación. Tanto la teoría cuántica como la teoría de la relatividad encuentran aplicaciones en todas las áreas de la física moderna.

Filosofía

Principales magnitudes físicas 

Las unidades indicadas para cada magnitud son las utilizadas en el Sistema Internacional de Unidades. Las unidades en negrita son  básicas, las restantes  derivadas.

 Geométricas
 Longitud: cuya unidad es el metro (m)
 Área: cuya unidad es el metro cuadrado (m2)
 Volumen: cuya unidad es el metro cúbico (m3)
 Relacionadas con el tiempo y proporciones respecto al tiempo:
 Tiempo: cuya unidad es el segundo (s)
 Velocidad: cuya unidad es el metro por segundo (m/s)
 Aceleración: cuya unidad es el metro por segundo al cuadrado (m/s2)
 Frecuencia: cuya unidad es el hercio o hertz.
 Relacionadas con la dinámica:
 Fuerza: cuya unidad es el newton (N)
 Trabajo: cuya unidad es el julio o joule (J)
 Energía: cuya unidad es el julio o joule (J)
 Potencia: cuya unidad es el vatio o watt (W)
 Termodinámicas y relacionadas con la cantidad de materia:
 Masa: cuya unidad es el kilogramo (kg)
 Cantidad de sustancia: cuya unidad es el mol
 Temperatura: cuya unidad es el kelvin (K)
 Presión: cuya unidad es el pascal (Pa)

Véase también 

 
 Geofísica
 Geología
 Ganadores del Premio Nobel de Física
 Movimiento (física)
 Comparación de la química y la física

Referencias

Bibliografía

Enlaces externos 

 

Física